大熊猫肠道微生物的季节性变化使宿主的外周昼夜节律同步

编译：微科盟索亚，编辑：微科盟索亚、江舜尧。

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导读  

2022年1月18日，中国科学院动物研究所魏辅文院士团队联合中国人民解放军陆军军医大学魏泓教授团队等人在Cell Reports发表题为《Seasonal shift of the gut microbiome synchronizes hostperipheral circadian rhythm for physiological adaptation to a low-fat diet inthe giant panda》的文章。肠道微生物组的特征随着宿主饮食的变化而同步变化。然而，这些波动的潜在影响仍不清楚。在本项研究中，我们将一种濒危哺乳动物（大熊猫）的特异性饮食粪便进行粪便微生物群移植（FMT）到无菌小鼠模型中。研究表明，在食笋季节，产生丁酸盐的细菌Clostridium butyricum比食叶季节更为丰富，这与宿主体重的显著增加一致。经过季节特异性FMT后，小鼠模型的微生物组与供体相似，而移植了来自食笋季节的微生物组的小鼠生长更快，并且储存了更多的脂肪。机制研究表明，丁酸盐延长了肝脏昼夜节律基因Per2的上调，进而增加了磷脂的生物合成。验证试验进一步证实了这种因果关系。这项研究表明，肠道微生物组的季节性变化影响宿主生长表现，促进了对野生哺乳动物宿主-微生物相互作用的更深入的理解。

关键词：多组学、微生物组、代谢、昼夜节律、宿主-微生物相互作用、粪便微生物群移植、野生哺乳动物、生理反应、脂肪堆积、低脂饮食

图文摘要

论文ID

原名：Seasonal shift of the gut microbiome synchronizes host peripheral  circadian rhythm forphysiological adaptation to a low-fat diet in the giant panda

译名：大熊猫肠道微生物的季节性变化使宿主的外周昼夜节律同步，以适应低脂饮食

期刊：Cell Reports

IF：9.423

发表时间：2022.01.18

通讯作者：魏辅文院士、魏泓教授

通讯作者单位：中国科学院动物研究所、中国人民解放军陆军军医大学

DOI号：10.1016/j.celrep.2021.110203

实验设计

对8只成年野生大熊猫（4只雌性和4只雄性）进行了长期跟踪研究，同时大熊猫繁育研究基地圈养的4只成年雌性大熊猫也与野生大熊猫同时被喂食竹叶和竹笋。分别在竹叶取食季节和竹笋取食季节采集8只野生大熊猫的粪便，同时采集圈养大熊猫粪便、血浆样本。对GF小鼠进行大熊猫粪便FMT，分为3组（每组8只）：对照组、食叶季节收集大熊猫粪便的LFMT（FMT）和食笋季节收集大熊猫粪便的SFMT （FMT）。在FMT后0、7、14、21天称重并采集粪便样本，在21天采集组织和血浆样本。SPF小鼠分为对照组和丁酸处理组（每组16只），每天灌胃给药50 μL丁酸酯（200 mmol/L） 1周后，每6 h处死4只，持续24 h，取肝组织和血浆。进行肠道微生物、血浆肝脏代谢组分析、肝脏肾脏转录组分析。

结果

图1. 大熊猫粪便样本采集、宏蛋白质组学揭示了和肠道微生物群落结构和功能的季节性变化；（A）食叶季节（n = 14）和食笋季节（n = 15）的粪便样本位置；（B）野生大熊猫饮食季节性变化；括号内显示每个季节采集的粪便样本数量；条形图表示了大熊猫在两个季节的平均体重增加；（C、D）5个最丰富的细菌属和KEGG通路柱状图；（E）不同季节大熊猫粪便中C. butyricum的相对丰度；（F）不同季节大熊猫粪便中短链脂肪酸的含量；数据为8次重复的平均值±标准误差；* p < 0.05，** p < 0.01，*** p < 0.001。

图2. 通过16S rRNA基因测序测定大熊猫肠道菌群FMT后在小鼠肠道的定殖情况；（A）GF小鼠FMT实验设计。彩色圆圈显示在FMT后7天、14天和21天采集的样本，BWG：体重增加；（B）小鼠肠道微生物组的多样性；（C）小鼠肠道微生物群的PCA；（D）小鼠肠道微生物在属水平上的柱状图；（E）LEfSe分析LFMT和SFMT肠道微生物的关键分类群在FMT后21天的变化（F）C. butyricum在小鼠体内相对丰度的动态变化；（G）以不同采样时间点为协变量，对SFMT与LFMT的肠道菌群进行Songbird多项回归分析。y轴为OTU的log-fold change （SFMT/LFMT）；OTU1211，C. butyricum，数据为均值±均值标准误差，* p < 0.05，** p < 0.01，*** p < 0.001。

图3. LFMT和SFMT小鼠的表型特征；（A）LFMT和SFMT小鼠在FMT后7、14和21天的体重变化；（B、C）FMT和对照组小鼠在FMT后21天的体质量组成和相对脂肪含量；（D）在实验期间每只老鼠每天的平均食物摄入量；（E）FMT组和对照组小鼠在FMT后21天内脏脂肪的比例；（F）FMT与对照组小鼠脂肪、碳水化合物和蛋白质的相对摄取量；数据为均值±均值标准误差，* p< 0.05，** p< 0.01，*** p< 0.001。

图4. LFMT和SFMT小鼠的肝脏和血浆代谢组学；（A）FMT后21天组间肝脏代谢物含量的偏最小二乘判别分析；（B）肝脏中磷脂含量最丰富的热图，包括甘油磷脂（黄色）和鞘脂（绿色），红色表示上调，蓝色表示下调；（C）FMT后21天，FMT组之间受影响最大的代谢途径，深色表示代谢途径中更重要的变化，而圆圈大小与途径影响评分相对应；（D、E）FMT后21天采集的小鼠肝脏组织病理切片和肝水肿定量，比例尺:100 μm；（F）在LFMT和SFMT小鼠的肝脏和血浆样本中鉴定出磷脂类，GSL，鞘糖脂；PC，甘油磷胆碱；PE，甘油磷脂胺；PI，甘油磷脂醇；PS，甘油磷脂；SL，鞘脂。

图5. 小鼠肝脏和肾脏昼夜节律基因的表达模式；（A）FMT组肝脏和肾脏中DEGs的热图；（B）肝脏和肾脏中共有或特有DEGs维恩图；（C）关键昼夜节律基因Per2、cry1和bmal1之间的相互作用示意图；（D）加权基因共表达网络图，SFMT特异性（红色）和LFMT特异性（蓝色）基因表达模块中的DEGs，圆圈的大小反映了每个基因的连通度；（E）FMT后21天小鼠粪便中SCFA浓度，数据为每组8个重复的均值±标准误差；（F）昼夜节律基因表达与短链脂肪酸浓度的Spearman相关系数矩阵，正相关更白，负相关更蓝，红框表示P <0.05；（G）SPF小鼠丁酸盐灌胃时间及标本采集图，丁酸盐给药7天后，每6小时对16只小鼠实施安乐死，连续24小时，收集血浆和肝脏标本；（H、I）丁酸盐处理（Exp）和对照组（Ctrl）SPF小鼠的肝脏Per2和Bmal1基因（H）和血浆磷脂的昼夜基因（I）表达，数据为均值±均值标准误差，* p< 0.05，** p< 0.01，*** p< 0.001。